CN105806574A - 一种基于动应力测试的振动加速模型的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动应力测试的振动加速模型的确定方法，包括对振动量级和响应应力之间的关系进行建模，并在振动加速情况下，推导出加速度量值与响应力量值之间的关系，进一步的通过选取典型机构件，通过动应力测试试验，确定材料阻尼与材料应力量值之间的关系因子，并根据S‑N曲线，得出材料系数，最终通过计算得到振动加速因子，确定最终加速模型，为实际生产和使用提供了对产品施加的振动量级与产生的应力之间的关系模型，满足日益更新的产品和材料试验需求。

Description

一种基于动应力测试的振动加速模型的确定方法

技术领域

本发明涉及可靠性试验与评估技术领域，特别是指一种基于动应力测试的振动加速模型的确定方法。

背景技术

在进行加速运输试验时，需要运用振动加速模型来确定在试验室加速振动量值下与实际运输振动量级之间的等效关系。材料的疲劳特性通常通过材料的应力-寿命(S-N)或应变-寿命(ε-N)曲线反应出来。由于缺少振动试验时对产品施加的振动量级与产生的应力之间的关系，因此不能直接采用材料的疲劳特性确定振动加速因子。目前振动加速模型中的参数常常参考国军标给出的范围值加以经验来确定，这种手册式的试验方法无法满足日益更新的产品和材料试验需求，在实际使用中与实际情况不符，会产生过试验与欠试验的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种振动试验的加速模型，通过确定振动加速因子确定应力循环次数与共振频率处激励加速度量值之间的关系。

基于上述目的本发明提供的一种基于动应力测试的振动加速模型的确定方法，包括：

对振动量级和响应应力之间的关系进行建模；

在振动加速情况下，推导出加速度量值与响应力量值之间的关系；

选取典型机构件，通过动应力测试试验，确定材料阻尼与材料应力量值之间的关系因子；

根据S-N曲线，得出材料系数；

计算得到振动加速因子，确定最终加速模型。

进一步的，所述对振动量级和响应应力之间的关系进行建模的过程具体为：

在有阻尼的情况下，在假设机械系统放大因子与激励力无关时，机械系统放大因子由下式确定:

Q＝K(S)^2-n

其中:S为产品受到激励所产生的应力；K为取决于材料、样本几何外形和应力分布的常量；n为材料阻尼与材料应力量值间的关系因子，其值决定于材料类型和应力作用区。

进一步的，所述选取典型机构件，通过动应力测试试验，确定材料阻尼与材料应力量值之间的关系因子的过程包括分别进行正弦振动试验和随机振动试验。

进一步的，所述正弦振动试验中，共振频率处的激励加速度量值A、响应应力量S、放大因子Q之间关系为：

$A=\frac{S}{K_{1}Q},$

结合公式Q＝K(S)^2-n、S-N曲线特征关系式得出：式中T₁、T₂为不同试验中持续的时间，A₁、A₂为不同试验中的振动量值。

进一步的，所述随机振动试验中，对于一个共振频率为f₀，放大因子为Q的单自由度系统，在宽带随机谱密度W(f₀)激励下，在试验样本共振频率处的均方根响应应力S为：

其中，r是标准化系数，并结合公式Q＝K(S)^2-n、S-N曲线特征关系式得出，式中式中T₁、T₂为不同试验中持续的时间，W₁、W₂为不同试验中的随时谱密度振动量值。

进一步的，所述计算得到振动加速因子过程，对于正弦振动加速试验，输入的激励加速度量值A与响应应力量值S之间的关系为：其中K₂为常数，n为正弦振动试验的加速因子；对于随机振动加速试验，激励加 速度功率谱密度W与响应应力量值S之间的关系为：其中K₃为常数，n为随机振动试验的加速因子。

进一步的，所述计算得到振动加速因子，确定最终加速模型的过程包括采用最小二乘法对的采集的试验数据进行处理，得出振动加速因子。

从上面所述可以看出，本发明提供的一种基于动应力测试的振动加速模型的确定方法，包括对振动量级和响应应力之间的关系进行建模，并在振动加速情况下，推导出加速度量值与响应力量值之间的关系，进一步的通过选取典型机构件，通过动应力测试试验，确定材料阻尼与材料应力量值之间的关系因子，并根据S-N曲线，得出材料系数，最终通过计算得到振动加速因子，确定最终加速模型，为实际生产和使用提供了对产品施加的振动量级与产生的应力之间的关系模型，满足日益更新的产品和材料试验需求。

附图说明

图1为本发明方法一个实施例的流程图；

图2为本发明方法在0.5g的扫频振动应力条件下的数据图；

图3为本发明方法在0.2g的扫频振动应力条件下的数据图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供一种基于动应力测试的振动加速模型的确定方法，包括：对振动量级和响应应力之间的关系进行建模；在振动加速情况下，推导出加速度量值与响应力量值之间的关系；选取典型机构件，通过动应力测试试验，确定材料阻尼与材料应力量值之间的关系因子；根据S-N曲线，得出材料系数；计算得到振动加速因子，确定最终加速模型。

所述对振动量级和响应应力之间的关系进行建模的过程具体为：

在有阻尼的情况下，在假设机械系统放大因子与激励力无关时，机械系统放大因子由下式确定:

Q＝K(S)^2-n

其中:S为产品受到激励所产生的应力；K为取决于材料、样本几何外形和应力分布的常量；n为材料阻尼与材料应力量值间的关系因子，其值决定 于材料类型和应力作用区。

所述选取典型机构件，通过动应力测试试验，确定材料阻尼与材料应力量值之间的关系因子的过程包括分别进行正弦振动试验和随机振动试验。

所述正弦振动试验中，共振频率处的激励加速度量值A、响应应力量S、放大因子Q之间关系为：

$A=\frac{S}{K_{1}Q},$

结合公式Q＝K(S)^2-n、S-N曲线特征关系式得出：式中T₁、T₂为不同试验中持续的时间，A₁、A₂为不同试验中的振动量值。

所述随机振动试验中，对于一个共振频率为f₀，放大因子为Q的单自由度系统，在宽带随机谱密度W(f₀)激励下，在试验样本共振频率处的均方根响应应力S为：

其中，r是标准化系数，并结合公式Q＝K(S)^2-n、S-N曲线特征关系式得出，式中式中T₁、T₂为不同试验中持续的时间，W₁、W₂为不同试验中的随时谱密度振动量值。

所述计算得到振动加速因子过程，对于正弦振动加速试验，输入的激励加速度量值A与响应应力量值S之间的关系为：其中K₂为常数，n为正弦振动试验的加速因子；对于随机振动加速试验，激励加速度功率谱密度W与响应应力量值S之间的关系为：其中K₃为常数，n为随机振动试验的加速因子。

所述计算得到振动加速因子，确定最终加速模型的过程包括采用最小二乘法对的采集的试验数据进行处理，得出振动加速因子。

如图1所示，为本发明方法一个实施例的流程图。包括如下步骤：

步骤101：对振动量级和响应应力之间的关系进行建模，该模型为：

Q＝K(S)^2-n，

其中，S为产品受到激励所产生的应力；K为取决于材料、样本几何外形和应力分布的常量；n为材料阻尼与材料应力量值间的关系因子，其值决定于材料类型和应力作用区。

步骤102：在振动加速情况下，推导出加速量值与响应应力量值之间的关系，在正弦振动情况下，共振频率处的激励加速度量值A、响应应力量S、放大因子Q之间关系式为：

$A=\frac{S}{K_{1}Q},$

其中K₁为比例常数。

设试验频率f₀，则试验时间T＝N/f₀，将步骤101中的模型公式代入上式，并结合S-N曲线关系式NS^m＝A得出：

${\left(\frac{A_1}{A_2}\right)}^{\frac{m}{n-1}}=\frac{T_2}{T_1},$

其中，A₁、A₂为不同试验中的振动量值，T₁、T₂为不同试验中的持续时间。

在随机振动情况下，对于一个共振频率为f₀，放大因子为Q的单自由度系统，在宽带随机谱密度W(f₀)激励下，在试验样本共振频率处的均方根响应应力S为：

$S=r\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{2}{\mathrm{Qf}}_{0}W\left(f_0\right)},$

其中，r是标准化系数。

设试验频率f₀，则试验时间T＝N/f₀，将步骤101中的模型公式代入上式，并结合S-N曲线关系式NS^m＝A得出：

${\left(\frac{W_1}{W_2}\right)}^{\frac{m}{n}}=\frac{T_2}{T_1},$

其中，W₁、W₂为不同试验中的振动量值，T₁、T₂为不同试验中的持续时间。

步骤103：选取典型机构件，通过动应力测试试验，确定材料阻尼与材料应力量值间的关系因子。在正弦振动的情况下，共振频率处的激励加速度量值A、响应应力量S、放大因子Q之间关系为：其中K1为比例常数，结合机械系统放大因子的确定式Q＝K(S)^2-n，得出其中K₂为常数，n为正弦振动试验的加速因子。在随机振动的情况下，对于共振频率为f₀，放大因子为Q的单自由度系统，在宽带随机谱密度W(f₀)激励下，在试验样本共振频率处的均方根响应应力S为：其中r是标准化系数，结合机械系统放大因子的确定式Q＝K(S)^2-n，得出输入的激励加速度功率谱密度W与响应应力量值S之间的关系式：通过选取典型结构件进行分别进行正弦振动试验和随机振动试验，对得到的数据进行最小二乘拟合，得到加速因子n的值。

步骤104：根据S-N曲线，得出材料系数m。

步骤105：将试验得到的加速因子n的值和材料系数m的值分别代入正弦振动加速模型和随机振动加速模型中，得到对应的振动加速模型。

作为本发明的一个实施例，对典型材料进行振动加速试验。在本实施例中，选取典型构件(材料为2A12)开展动应力测试试验，并采集动应力数据用于振动应力加速因子的确定。

如图2所示，本发明方法在0.5g的扫频振动应力条件下的数据图。图3所示为本发明方法在0.2g的扫频振动应力条件下的数据图。为确定试件的共振频率，在试件上粘贴加速度传感器，进行正弦扫频试验，在0.5g及0.2g的扫频振动应力条件下，在共振频率25Hz处，构件的响应最大，响应应力见下表：

表1不同激励条件下的动响应响应测定制

将测试数据值代入公式两边取对数，可得到测点1及测点2的n值分别为：2.2355及2.2370。取平均可得伺服机构材料的n值为2.2362。

疲劳试验确定的材料系数m值可直接从手册中查得，本实施例中取8.8。将m及n值代入公式可得到伺服机构的振动应力加速公式为：

${\left(\frac{A_1}{A_2}\right)}^{\frac{m}{n-1}}={\left(\frac{A_1}{A_2}\right)}^{7.119}=\frac{T_2}{T_1}.$

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于动应力测试的振动加速模型的确定方法，其特征在于，包括：

对振动量级和响应应力之间的关系进行建模；

在振动加速情况下，推导出加速度量值与响应力量值之间的关系；

选取典型机构件，通过动应力测试试验，确定材料阻尼与材料应力量值之间的关系因子；

根据S-N曲线，得出材料系数；

计算得到振动加速因子，确定最终加速模型。

2.根据权利要求1所述的基于动应力测试的振动加速模型的确定方法，其特征在于，所述对振动量级和响应应力之间的关系进行建模的过程具体为：

在有阻尼的情况下，在假设机械系统放大因子与激励力无关时，机械系统放大因子由下式确定:

Q＝K(S)^2-n

其中:S为产品受到激励所产生的应力；K为取决于材料、样本几何外形和应力分布的常量；n为材料阻尼与材料应力量值间的关系因子，其值决定于材料类型和应力作用区。

3.根据权利要求1所述的基于动应力测试的振动加速模型的确定方法，其特征在于，所述选取典型机构件，通过动应力测试试验，确定材料阻尼与材料应力量值之间的关系因子的过程包括分别进行正弦振动试验和随机振动试验。

4.根据权利要求3所述的基于动应力测试的振动加速模型的确定方法，其特征在于，所述正弦振动试验中，共振频率处的激励加速度量值A、响应应力量S、放大因子Q之间关系为：

$A=\frac{S}{K_{1}Q},$

结合公式Q＝K(S)^2-n、S-N曲线特征关系式得出：式中T₁、T₂为不同试验中持续的时间，A₁、A₂为不同试验中的振动量值。

5.根据权利要求3所述的基于动应力测试的振动加速模型的确定方法，其特征在于，所述随机振动试验中，对于一个共振频率为f₀，放大因子为Q的单自由度系统，在宽带随机谱密度W(f₀)激励下，在试验样本共振频率处的均方根响应应力S为：

其中，r是标准化系数，并结合公式Q＝K(S)^2-n、S-N曲线特征关系式得出，式中式中T₁、T₂为不同试验中持续的时间，W₁、W₂为不同试验中的随时谱密度振动量值。

6.根据权利要求1所述的基于动应力测试的振动加速模型的确定方法，其特征在于，所述计算得到振动加速因子过程，对于正弦振动加速试验，输入的激励加速度量值A与响应应力量值S之间的关系为：其中K₂为常数，n为正弦振动试验的加速因子；对于随机振动加速试验，激励加速度功率谱密度W与响应应力量值S之间的关系为：其中K₃为常数，n为随机振动试验的加速因子。

7.根据权利要求1所述的基于动应力测试的振动加速模型的确定方法，其特征在于，所述计算得到振动加速因子，确定最终加速模型的过程包括采用最小二乘法对的采集的试验数据进行处理，得出振动加速因子。